Laboranalyse zur Identifizierung der Leitboden

Technische Universität München
Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement
Univ. Prof. Dr.-Ing. Markus Disse
Bachelor Thesis:
Laboranalyse zur Identifizierung der Leitbodentypen des Rio das Mortes - Einzugsgebiets
Autor: Wolfgang Schmidt
Matrikelnummer:
3637653
Studiengang:
Umweltingenieurwesen
Betreuer:
Dr. rer. nat. Christian Rumbaur
Dr.-Ing. Wolfgang Rieger
2015
Aufgabenstellung
Aufgabenstellung
Ausgangslage:
Für die prozessbasierte hydrologische Modellierung des Rio das Mortes-Einzugsgebiets
(Brasilien) sind zur Parametrisierung des Bodenmodells und damit zur transparenten Simulation des Wasserflusses in der ungesättigten Bodenzone umfassende Kenntnisse
hinsichtlich der Bodenverteilung im Untersuchungsgebiet notwendig.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen ausgewählte repräsentative Bodenproben aus dem Rio
das Mortes - Gebiet bezüglich der für die Modellierung relevanten Eigenschaften (Korngrößenverteilung, organischer Anteil) im Labor analysiert werden.
Hierbei soll u.a. die allgemein anerkannte Methode zur Bestimmung der Dispersität von
Böden, das kombinierte Sieb- und Sedimentationsverfahren, angewendet werden.
Aufgabenstellung:
-
Erarbeitung der theoretischen Grundlagen zur Bodenklassifizierung (bezogen auf
die Untersuchungsregion) und Laboranalyse unter Verwendung ausgewählter
Fachliteratur
-
Laborarbeit I: Einarbeitung in die Messtechnik zum kombinierten Sieb- und
Sedimentationsverfahren,
ggf.
Erweiterung
der
Laborausstattung
in
Zusammenarbeit mit dem Laborleiter, Aufbereitung der Bodenproben und
Durchführung der Analysen
-
Laborarbeit II: Einarbeitung in die Messtechnik zur Bestimmung des organischen
Anteils der vorliegenden Bodenproben, ggf. Erweiterung der Laborausstattung in
Zusammenarbeit mit dem Laborleiter, Aufbereitung der Bodenproben und
Durchführung der Analysen
-
Klassifizierung der vorliegenden Leitbodentypen der Untersuchungsregion auf
Grundlage der analysierten Bodenproben
I
Kurzfassung
Kurzfassung
Diese Arbeit behandelt das Thema der Bodenklassifizierung anhand des kombinierten
Sieb- und Sedimentationsverfahrens. Dieses Analyseverfahren wird an Bodenproben
aus dem Rio das Mortes Einzugsgebietes, ein Areal südlich des Amazonas, angewandt,
um Daten für die Bestimmung der Bodenart zu gewinnen. Die Analyse findet in einem
Labor mit entsprechender Messtechnik statt. Die Ergebnisse werden in Tabellen zusammengetragen und zur Auswertung in Diagrammen modelliert. Nach dem Aufzeigen und
Überprüfen von Fehlerquellen im Verfahren und einer Bewertung der Ergebnisse können
die ermittelten Werte als Grundlage oder Referenz für weitere Untersuchungen im Einzugsgebiet verwendet werden.
Abstract
This bachelor thesis examines the topic of soil classification on the basis of a combined
sieve and hydrometer analysis. This analysis method is used on ground samples from
the Rio das Mortes river basin, which is part of a catchment area in the southern amazon
region, in order to obtain data for the determination of the soil type. This examination
takes place in a laboratory with appropriate instrumentation. The results are compiled in
tables and modelled in charts. After demonstrating and verifying possible errors in the
process and an evaluation of the results, the determined values can be used as a basis
or reference for further studies in this catchment area.
II
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1
1.1 Motivation ............................................................................................................ 1
1.2 Ziel ....................................................................................................................... 2
2 Grundlagen der Klassifizierung
3
2.1 Klassifikationskriterien ......................................................................................... 4
2.2 Überblick über die Klassifikationssysteme ........................................................... 4
2.3 Kornfraktionen und Bodenarten ........................................................................... 6
3 Laborversuche
9
3.1 Grundlagen der Laborarbeit ................................................................................. 9
3.1.1 Probennahme, Transport und Lagerung ...................................................... 10
3.1.2 Vorbereitungen im Labor .............................................................................. 11
3.2 Probenvorbereitung ........................................................................................... 11
3.3 Analyse chemischer Parameter ......................................................................... 12
3.3.1 Bestimmung des Gehalts an organischer Substanz mithilfe des GlühverlustVerfahrens ............................................................................................................... 12
3.3.2 Bestimmung des pH-Wertes ........................................................................ 13
3.3.3 Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit ................................................... 14
3.3.4 Bestimmung des Carbonatgehalts ............................................................... 15
III
Inhaltsverzeichnis
4 Sieb- und Sedimentationsanalyse
16
4.1 Vorbereitungen und Probenvorbehandlung ....................................................... 19
4.1.1 Entfernung von wasserlöslichen Salzen und Waschen der Proben ............. 20
4.1.2 Zerstörung der organischen Bestandteile .................................................... 21
4.1.3 Zerstörung der Eisenoxide ........................................................................... 22
4.1.4 Entfernen der Carbonate .............................................................................. 23
4.1.5 Dispergierung ............................................................................................... 23
4.2 Versuchsdurchführung....................................................................................... 24
4.2.1 Trockensiebung............................................................................................ 24
4.2.2 Nassiebung .................................................................................................. 26
4.2.3 Pipettanalyse................................................................................................ 28
5 Auswertung und Ergebnisdiskussion
32
5.1 Darstellung der Ergebnisse ............................................................................... 32
5.2 Beispiele und Auswertung der Ergebnisse ........................................................ 35
5.3 Fehleranalyse der Verfahren ............................................................................. 42
6 Fazit und Ausblick
44
Literaturverzeichnis
45
Abbildungsverzeichnis
47
Anhang
48
Eidesstattliche Erklärung
49
IV
Einleitung
1 Einleitung
1.1 Motivation
Diese Bachelor-Arbeit trägt zu dem Teilprojekt „Soil Degradation and Catchment Hydrology“ der CARBIOCIAL-Forschung („CARbon sequestration, BIOdiversity and soCIAL
structures“) in Brasilien bei. In den 15 Teilprojekten dieser Forschung soll der Einfluss
der Landnutzung und der Rodung des Regenwaldes auf den Gas-, Wasser- und Kohlenstoffhaushalt der drei Forschungsareale im südlichen Amazonasgebiet erfasst werden. Das allgemeine Ziel dieses Projektes ist sowohl die Optimierung der Landnutzungsstrategie der brasilianischen Partner in sozialer, ökonomischer und ökologischer Hinsicht, als auch die Reduzierung der Regenwaldrodung und die damit einhergehenden
mildernden Effekte auf den Klimawandel [CARBIOCIAL, 2015]. Das Rio das Mortes Einzugsgebiet in Mato Grosso (Abb. 1) ist eines dieser Areale, für das ein hydrologisches
Modell in Bezug auf die Veränderung der Landnutzung erstellt werden soll. Um die einzelnen Parameter der Modellierung zu erhalten, werden in dieser Arbeit Bodenproben
aus dem Einzugsgebiet auf ihre Korngrößenverteilung und organischen Anteile untersucht.
1
Abbildung 1: Karte des Rio das Mortes Einzugsgebietes
1.2 Ziel
Ziel dieser Arbeit ist die Vorbehandlung, Vorbereitung und Analyse der gestörten Bodenproben aus Brasilien im Labor. Das Hauptziel ist die Bestimmung der Korngrößenverteilung mithilfe des kombinierten Sieb- und Sedimentationsverfahrens. Zusätzlich wird im
Glühverlust-Verfahren der organische Anteil bestimmt. Anhand dieser und weiterer chemischer Daten kann der Boden klassifiziert werden. Die Werte der Klassifikation werden
extern von dieser Arbeit mit den Feldversuchen in Brasilien verglichen und für die Erstellung eines Bodenmodells und die Simulation des Wasserflusses in der ungesättigten
Bodenzone zur hydrologischen Modellierung des Einzugsgebietes verwendet.
2
Grundlagen der Klassifizierung
2 Grundlagen der Klassifizierung
Klassifizierungssysteme teilen komplexe Strukturen aufgrund ihrer Eigenschaften in
Klassen ein, dabei haben sie einen ordnenden und organisierenden Charakter [N.
VOGT, 2014]. Die weltweit große Diversität der Bodensystematiken, die verschiedenen
Bodenentstehungsgeschichten, regionalen Klimagegebenheiten und Nomenklaturen für
Böden, macht eine einheitliche Klassifizierung aufgrund internationaler, agrarkultureller
und bodenmechanischer Interessen notwendig. Die Agrarkulturelle Produktivität von Böden, welche eine entscheidende Rolle in der Geschichte der Menschheit hat, ließ sesshafte Völker schon vor langer Zeit Regionen nach Fruchtbarkeitskriterien einteilen. Dies
belegen chinesische Dokumente aus der Zeit 2000 vor Christus. Steuerliche Gründe und
klimatische Gegebenheiten führten dann erst im 19. Jahrhundert wieder zu einer anerkannten Bodenklassifizierung in Russland, welches international zu einem regem Interesse zur weiteren Klassifizierung von Böden weckte. So entstanden im 20. Jahrhundert
drei der gebräuchlichsten Klassifikationssysteme [H. SCHACK-KIRCHNER et al., 2015].
-
Deutsche Bodensystematik nach der bodenkundlichen Kartieranleitung der AG
Bodenkunde und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)
 regionale Klassifizierung, jedoch auch für den mitteleuropäischen Raum
anwendbar
-
World Reference Base for Soil Resources (WRB) der Food and Agriculture
Organization (FAO) in der UNESCO  internationale Klassifizierung
-
US Soil taxonomy des US Department of Agriculture (USDA) und des Natural
Resources
Conservation
Service
(NRCS)

Klassifizierung
für
den
amerikanischen Raum, jedoch auch weltweit anwendbar
3
Grundlagen der Klassifizierung
2.1 Klassifikationskriterien
Grundsätzlich lassen sich bei den Klassifikationssystemen 3 Klassifikationskriterien feststellen. Klassifikationen können nach Faktoren, wie z.B. das Klima, das Ausgangsgestein, die Flora und Fauna, stattfinden. Aufgrund der stetigen Bodenentwicklung besitzen
diese nur eine eingeschränkte Aussagekraft, sind jedoch leicht zu erfassen. Eine aufwendigere Untersuchungsmethode ist bei der morphologischen Klassifikation notwendig. Hierbei werden die Böden nach Merkmalen, wie die Farbe, die Struktur, die Körnung
der Nährstoffgehalt oder die Wasserleitfähigkeit klassifiziert. Das letzte zu erkennende
Kriterium sind die Prozesse, die ein Boden durchläuft, also die genetischen Merkmale.
Aufgrund der stetigen und langandauernden Entwicklungen sind diese aber ebenfalls
schwer zu analysieren.
2.2 Überblick über die Klassifikationssysteme
Bei der deutschen Bodensystematik steht vor allem die Horizontfolge des Bodens, welche durch seine Bodenentwicklung bestimmt ist, im Fokus. Das morphogenetische Klassifizierungsprinzip unterteilt mithilfe eines hierarchischen Systems die Böden nach folgenden Kategorien [AG BODENKUNDE, 2005]:
-
Abteilungen (z.B. terrestrische Böden)
-
Bodenklassen (z.B. Lessivés)
-
Bodentypen (z.B. Parabraunerde)
-
Bodensubtypen (z.B. Humusparabraunerde)
-
Bodenvarietäten und Subvarietät (z.B. pseudovergleyte Humusparabraunerde)
Der WRB liegt ebenfalls ein morphogenetisches Klassifizierungsprinzip zugrunde, denn
sie klassifiziert die Böden nach diagnostischen Merkmalen, Prozessen und Faktoren des
Bodens. Basierend auf diesen Merkmalen und anhand eines spezifischen Bestimmungsschlüssels wird in der ersten Ebene der Klassifikation der Boden einer der 32 Bodentypen (sogenannte Reference Soil Groups, RSGs) zugeordnet [BGR, 2007]. In der zweiten
Ebene werden den RSGs „Qualifier“ und „Specifier“ zur eindeutigen Bestimmung und
4
Grundlagen der Klassifizierung
Beschreibung angehängt und geben meist Auskunft über weitere chemische, physikalische und mineralogische (Basenart, Bodenstatus oder Farbe) Merkmale [G. INTERMALER-ERHARD et al., 2014]
Die US Soil taxonomy beobachtet bei der Klassifizierung die prägendsten quantifizierbaren Merkmale des Bodens. Diese erfordern eine Laboranalyse und sind nicht selten von
weiteren Faktoren, wie z.B. dem Klima abhängig. Im Prinzip wird der Boden zuerst einer
der „12 Soil Orders“ zugeordnet und anschließend bestimmen weitere Merkmale über
dessen „Sub Orders“ [USDA & NRCS, 1999]. Aus diesen Kategorisierungen lassen sich
dann Silbenendungen zusammenfügen, die dann schlussendlich den Bodentyp beschreiben. Dabei entstehen Kunstwörter, die eine eindeutige Abgrenzung von anderen
Böden ermöglicht, jedoch auf den ersten Blick keine direkten Informationen über den
Boden geben [H. SCHACK-KIRCHNER et al., 2015].
Brasilien besitzt für seine Böden ein eigenes Klassifizierungssystem, das Konzepte und
Kriterien der WRB und US Soil Taxonomy enthält und nach einem morphogenetischen
Prinzip aufgebaut ist. Aufgrund fehlender Übersetzungen und bodentypischer Vergleichswerte, wird für die brasilianischen Proben das Klassifizierungssystem der FAO
verwendet.
5
Grundlagen der Klassifizierung
2.3 Kornfraktionen und Bodenarten
Ein wichtiger morphologischer Faktor der Bodencharakteristik, der auch in dieser Arbeit eine Rolle spielt,
ist die Gesamtbodenart, basierend auf der Verteilung
der Kornfraktionen des Grob- und Feinbodens. Die
Kornfraktionen sind durch ihre Größe untergliedert, jedoch wird für die Größenkategorisierung ein Äquivalentdurchmesser einer glatten starren Kugel angenommen, da die Körner nicht gleichförmig sind. Um die
sehr große und variierende Größenskala der Körner
einzuteilen, einigte man sich im deutschen Raum auf
den Vorschlag von Albert Mauritz Atterberg auf die Ziffer 2 und aufgrund der logarithmischen Skala auf die
Ziffernfolge 63. International betrachtet folgt die FAO
den selben Maßzahlen, wo hingegen die USDA von
dieser Konvention abweicht. Im groben Bereich gibt es
bei der amerikanischen Einteilung aufgrund des fehlenden metrischen Systems (1 inch = 254 mm) Differenzen und im Bereich der Sandfraktion einigte man
sich auf ganze Zehnerzahlen mit den Ziffern 1, 2 und
5. Allein die Grenze von der Schluff- Tonfraktion liegt
bei allen Klassifizierungssystemen bei 2 µm (siehe
Abbildung 2: Einteilung der Korngrößenfraktionen. Einteilung nach RGB, FAO
(links) und USDA (rechts)
Abb. 2) [P. SCHACHTSCHABEL & F. SCHEFFER,
2009]. Die deutsche Einteilung legte man in der DIN 4022 und später in der DIN EN ISO
14688 zur Benennung der Bodenkörner nach ihrer Größe fest (siehe Abb. 3)
Die Anteile der Kornfraktionen können mithilfe des kombinierten Sieb- und Sedimentationsverfahrens (siehe Kapitel 4) bestimmt und in sogenannten Kornverteilungssummenkurven (siehe Kapitel 5.1) dargestellt werden. Die Daten aus diesen Kurven führen dann
anhand von Diagrammen, spezifisch für jedes Klassifizierungssystem (siehe Abb. 5, 6,
7, aufgrund der Relevanz für diese Arbeit ist nur die Unterteilung des Feinbodens abgebildet) zur Bestimmung der Gesamtbodenart.
6
Grundlagen der Klassifizierung
Abbildung 3: Benennung der Bodenkörper nach ihrer Größe
Abbildung 4: Feinbodenarten nach der deutschen Bodensystematik
7
Grundlagen der Klassifizierung
Abbildung 5: Feinbodenarten nach der FAO
Abbildung 6: Feinbodenarten nach dem USDA
8
Laborversuche
Anhand der Daten über die Gesamtbodenart und der Zuordnung zum jeweiligen Horizont
lassen sich Rückschlüsse auf den Horizontaufbau bilden. Ebenso ist die Bestimmung
der Bodenart für den Einsatz der Pedotransferfunktionen und somit für die Simulation
des Wasserdurchflusses im Einzugsgebiet notwendig. Jedoch fehlen zu einer eindeutigen Klassifizierung des Bodens nach internationalem Standard der FAO und zur Bestimmung des Leitbodentyps weitere morphogenetische Merkmale, die im Rahmen dieser
Arbeit nicht erarbeitet werden können.
3 Laborversuche
3.1 Grundlagen der Laborarbeit
Im Gelände lassen sich aufgrund mangelnder Genauigkeit viele Bodenmerkmale nicht
bestimmen. Dies macht ergänzende Laboruntersuchungen notwendig, jedoch ist der
Ausgangspunkt einer Laboruntersuchung immer der Geländebefund [H.-P. BLUME et
al., 2012]
Alle in dieser Arbeit angewandten Verfahren und Versuche orientieren sich an den Beschreibungen von H.-P. BLUME et al., (2012) Bodenkundliches Praktikum und an den
Vorgaben der jeweiligen DIN Normen. Gelegentlich wurden die Versuche geringfügig an
die Bedingungen und Ausstattung des Labors angepasst. Zum Überblick gibt es eine
Fotosammlung der Laborausstattung im Anhang F.
9
Laborversuche
3.1.1 Probennahme, Transport und Lagerung
Damit die ermittelten Daten aus dem Labor auch wieder auf das Bodenprofil zurückgeschlossen werden können, sind bei der Probennahme folgende Bedingungen zu beachten:
-
Grundsätzlich sollte bereits vorhandenes Karten- und Datenmaterial zum
Untersuchungsort nachgefragt und analysiert werden. Hierbei sollte vor allem auf
Informationen über gesundheitsschädliche Stoffe im Boden geachtet werden.
-
Je nach Analysebedarf und gesuchten Eigenschaften sollte zwischen ungestörten
(z.B. Volumenproben mit einem Stechzylinder) und gestörten Masse- bzw.
Mischproben (z.B. mittels eines Pürckhauer-Bohrers) unterschieden werden.
-
Je nach Homogenität des Bodens sollte auf eine angemessene horizontale und
vertikale Verteilung der Entnahmeorte geachtet werden.
-
Das Datum und die Wetterverhältnisse sollten bedarfsgerecht gewählt und notiert
werden.
Weitere Details zur Probennahme kann man der DIN ISO 10381 entnehmen.
Die gestörten Bodenproben aus Brasilien wurden von neun verschiedenen, im Einzugsgebiet verteilten Orten und jeweils aus Tiefen von 0 – 10 cm, 10 – 20 cm und 20 – 40 cm
entnommen. Somit werden in dieser Arbeit insgesamt 27 Proben bearbeitet.
Beim Probentransport ist vor allem bei ungestörten Bodenproben darauf zu achten, diese
vor Erschütterungen zu schützen, um den Gefügeaufbau zu erhalten. Der Wassergehalt
sollte feldfrisch untersucht werden, da sich dieser nach der Entnahme sofort an die veränderte Umgebung anpasst. Kann dieser nicht im Feld bestimmt werden, sollte die Probe
vor dem Transport tiefgefroren werden. Desweiteren ist die biologische Aktivität im Boden nicht zu vernachlässigen und dieser dementsprechend mit Stickstoff zu versetzen
oder zu kühlen.
Um weitere Reaktionen zu vermeiden wird der Boden vor der Lagerung schonend bei
40°C (DIN ISO 11464) getrocknet und mithilfe eines 2 mm-Siebes in Skelett- und Feinanteil aufgetrennt.
10
Laborversuche
3.1.2 Vorbereitungen im Labor
Bevor nun an den Bodenproben gearbeitet wird, sind alle notwendigen Geräte, Materialen, Gefäße, Chemikalien und Vergleichspräparate zusammenzutragen [H.-P. BLUME
et al., 2012]. Bei allen verwendeten Lösungen und notwendigen Waschvorgängen wird
µ𝑠
deionisiertes Wasser (elektrische Leitfähigkit < 1 𝑐𝑚) von einem Wasseraufbereiter verwendet. Das Wasser ist zudem pH-neutral. Zum Trocknen der Proben, werden diese,
falls nicht anders erwähnt, in den Trockenschrank bei 105 °C über Nacht gelagert und
vor der Wägung zum Abkühlen auf Raumtemperatur in einen Exsikkator mit Kieselgel
als Feuchtigkeitsbindemittel gegeben. Je nach Laborausstattung kann eine logistische
Untersuchung der vorhandenen und zu verbrauchenden Materialien hilfreich sein. Die in
den Verfahren verwendeten Geräte sind vor den Versuchen auf Funktionstüchtigkeit
überprüft und gegebenenfalls kalibriert worden.
3.2 Probenvorbereitung
Die 27 gestörten Bodenproben kamen in Frischebeuteln in München an. Zur Vorbereitung für die nachfolgenden Analysen werden die Proben in Skelettanteil (Körnergröße >
2 mm) und Feinerdenanteil getrennt, zusätzlich werden größere Wurzeln und Hölzer aus
den Böden entfernt. Um eine korrekte Auftrennung zu erzielen, werden die Proben vorsichtig mit einem Pistill in einem Mörser bearbeitet. Dabei muss darauf geachtet werden,
dass die zusammenhaftenden Bodenpartikel nur voneinander getrennt und nicht zerstört
werden, um ein Verfälschen der Körnungsanalyse zu vermeiden. Die aufgemörserte
Probe wird anschließend durch ein 2 mm Sieb gegeben und die aufgetrennten Anteile
abgewogen. Die Feinerde kann nun für chemische Analysen und zur Vorbehandlung für
die Bestimmung der Dispersität verwendet werden. Das Verhältnis jeweils von Skelettanteil, Feinerdenanteil und herausgenommene organische Bestandteile zur Gesamtmasse werden berechnet und notiert. Bei den vorbereiteten Bodenproben ließ sich jedoch kein Skelettanteil finden, was Auswirkungen auf das weitere Verfahren der Korngrößenanalyse hat. (siehe Kap. 4)
11
Laborversuche
3.3 Analyse chemischer Parameter
Zur Überprüfung der Feldversuche in Brasilien werden in dieser Arbeit spezifische chemische Parameter, wie der Gehalt an organischen Bestandteilen, der pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit und der Carbonatgehalt bestimmt. Diese Parameter werden auch für
die Pedotransferfunktionen gebraucht.
3.3.1 Bestimmung des Gehalts an organischer Substanz mithilfe des
Glühverlust-Verfahrens
Ein wichtiger Parameter zur Berechnung des hydrologischen Modells ist der Gehalt an
organischen Bestandteilen (OBS). Durch Oxidation der organischen Substanzen lässt
sich der Gehalt mithilfe von drei Möglichkeiten abschätzen:
-
Glühverlust: Massedifferenz durch Wägung
-
Farbmessung mit einem Chromameter
-
Erfassung des Kohlenstoffgehalts und Rückschluss bei Annahme eines
bestimmten Kohlenstoffgehalts der OBS
In dieser Arbeit wird das Glühverlustverfahren angewendet.
Verwendete Geräte:
-
Muffelofen mit Porzelanplatte
-
Porzelantiegel
-
Präzisionswaage
-
Trockenschrank der Firma Binder und Exsikkator mit Trockenmittel (Kieselgel)
Dazu werden 10 g der lufttrockenen Feinerde in einen Porzellantiegel gegeben, dessen
Leergewicht nach Trocknung zuvor bestimmt wurde. Die Feinerde wird nun zur Bestimmung der Trockenmasse bei 105 °C über Nacht getrocknet. Anschließend wird die Probe
bei 550 °C für vier Stunden im Muffelofen zum Glühen gebracht. Nach dem Abkühlen im
12
Laborversuche
Trockenschrank bei 105 °C und anschließend im Exsikkator auf Raumtemperatur wird
die Probe erneut gewogen. Die Differenz der geglühten Masse zur Trockenmasse, im
Verhältnis zur Trockenmasse, gibt den Glühverlust und den Gehalt der OBS an. [H.-P.
BLUME et al., 2012]
3.3.2 Bestimmung des pH-Wertes
Böden fungieren meist als Ionenaustausch-Systeme. Der aktuelle Zustand der Systeme
kann mithilfe des pH-Wertes (pH = lat. potentia hydrogenii) und der elektrischen Leitfähigkeit (siehe nachfolgendes Kapitel) bestimmt werden. Anhand dieser Werte lassen sich
Erkenntnisse zur Genese und der Standorteigenschaften des Bodens gewinnen. [P.
SCHACHTSCHABEL & F. SCHEFFER, 2009]. Der pH-Wert der Bodenlösung beschreibt
die Aktivität der H+-Ionen, welche von anorganischen und organischen Säuren in der
Lösung stammen und als Hydroniumionen (H3O+) vorliegen. Der Wert ist als negativer
dekadischer Logarithmus der H+-Ionenkonzentration definiert [H.-P. BLUME et al., 2012].
Bei einer bestimmten Temperatur ist das Ionenprodukt aus H+ und OH- konstant und bei
einer neutralen Lösung sind die jeweiligen Konzentrationen gleich, deshalb wird nur die
H+-Aktivität bestimmt und die Berechnung der OH- Aktivität vernachlässigt.
pH + pOH = 14
pH = 7 = pOH
[W. DURNER & R. NIEDER, 2005]
In dieser Arbeit wird die potentiometrische pH-Bestimmung einer H2O- und CaCl2- Bodensuspension mit einer Glaselektrode nach DIN ISO 10390 angewendet. Dabei wird
mithilfe der mit 2 Pufferlösungen kalibrierte Glaselektrode eine elektrische Spannung gemessen, welche aufgrund der unterschiedlichen H+-Konzentrationen des Innenpuffers
und der Außenlösung auftritt. Dank der Proportionalität des elektrometrischen Potentials
zur H+-Aktivität, kann so auf den pH-Wert der Lösung zurückgeschlossen werden. Da
die Reaktion der Bodenlösung durch Wasserzusatz verfälscht wird, werden die Proben
zum Vergleich mit einer CaCl2-Lösung, welche entsprechend der Vorgänge in den Böden
einen Kationenaustausch ermöglicht, versetzt. Die Eichung der Glaselektrode wird parallel zu den Messungen fortwährend mit einer Eichlösung (pH-Wert 7) überprüft.
13
Laborversuche
Verwendete Geräte / Chemikalien:
-
Präzisionswaage
-
Bechergläser
-
Deionisiertes Wasser und 0,01 M CaCl2-Lösung
-
pH-Messgerät (EUTECH PC650) mit einer Glaselektrode (Innenpuffer = Kaliumund Silberchlorid)
-
Pufferlösungen zum Kalibrieren der Elektrode
Zwei Bechergläser werden jeweils mit 10,00 g lufttrockener Feinerde gefüllt. Ein Glas
wird mit 25 ml deionisiertem Wasser und das andere mit 25 ml 0,01 M CaCl2-Lösung
aufgefüllt. Die Gläser werden nun 30 Minuten lang geschwenkt und umgerührt. Im Anschluss wird der pH-Wert mithilfe des kalibrierten Messgerätes bestimmt und notiert. Die
Elektrode ist nach jeder Messung mit neutralem Wasser zu spülen.
Die Proben weisen insgesamt neutralen bis sauren Charakter auf.
3.3.3 Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit kennzeichnet den allgemeinen Salzgehalt in der Bodenlösung und wird mit dem Messgerät GLF 100 bestimmt. Das Gerät misst den Widerstand
in der Bodenlösung mit einer 2-Pol Messzelle mit integriertem Temperaturfühler. Da die
spezifischen Leifähigkeitswerte von der Temperatur abhängig sind, werden diese bei einer Abweichung von der Standarttemperatur von 25 °C dementsprechend kompensiert.
Im Anschluss an jede Messung wird die Messzelle mit deionisiertem Wasser gespült.
Verwendete Geräte / Chemikalien:
14
-
Becherglas
-
Deionisiertes Wasser
-
Messgerät GLF 100
Laborversuche
Bei dem Versuch werden 25,00 g lufttrockene Feinerde in ein Becherglas gegeben und
mit 250 ml deionisiertem Wasser aufgefüllt. Das Glas wird eine Stunde umgerührt und
geschwenkt [W. DURNER & R. NIEDER, 2005]. Um die Leitfähigkeitswerte und Temperatur zu bestimmen, wird die Messzelle in die Lösung getaucht. Dabei muss auf eine
ausreichende Eintauchtiefe geachtet werden. Anhand dieser Messung lässt sich auch
die Reinheit der Lösung nach dem Einsatz der Chemikalien in der Probenvorbehandlung
(siehe Kap. 4.1) überprüfen.
3.3.4 Bestimmung des Carbonatgehalts
Um einen Rückschluss darüber zu erhalten, wieviel gesteinsbildendes Carbonat, wie z.B.
Calzit, Dolomit oder Siderit, sich in den Proben befindet, wird zur Analyse das FOG II
Calcimeter verwendet. Die Funktionstüchtigkeit des Messgerätes wird vor, während und
nach der Analyse der Versuchsreihe mit reinem Kalk überprüft.
Verwendete Geräte /Chemikalien:
-
Präzisionswaage
-
6M Salzsäure
-
FOG II Calcimeter, im Lieferumfang enthaltene 4 ml Küvetten, Messkolben mit
Deckel, Pinzette
1,00 g der Probe werden abgewogen und mit einer mit Salzsäure gefüllten Küvette in
den Messkolben gegeben. Dieser wird mit dem dafür vorgesehenen Deckel verschlossen und mit dem Schlauch des Messgeräts verbunden. Das Gerät wird anschließend
aktiviert und auf die verwendete Probenmenge eingestellt. Der Kolben wird nun geschüttelt, sodass die Salzsäure aus der Küvette auf die Probe trifft. Die Carbonate werden
durch die Säure in Wasser und CO2 aufgespalten, dadurch entsteht ein Überdruck, der
das Kohlenstoffdioxid durch den Schlauch in das Gerät überführt [BD INVENTIONS,
2014]. Die Reaktion lässt sich in folgender Gleichung darstellen:
15
Sieb- und Sedimentationsanalyse
MeCO3 + 2 HR
Mit:

MeR2 + H2O + CO2 [H.-P. BLUME et al., 2012]
Me
=
Kation der Kalkverbindung
R
=
Säurerest
Nach der Analyse zeigt das Gerät den Carbonatanteil und die vorherrschende Temperatur während der Reaktion der Teilprobe an.
In der Versuchsreihe sind keine Spuren von Carbonatverbindungen vorhanden.
4 Sieb- und Sedimentationsanalyse
Die Korngrößenverteilung wird bei jeder Analyse als einer der ersten Merkmale bestimmt, denn alle wesentlichen bodenphysikalischen Standorteigenschaften und Materialfunktionen sind durch diese geprägt. Aus der Verteilung erhält man Rückschlüsse auf
folgende Parameter:
16
-
Lagerungsdichte
-
Porosität
-
Wasserspeicherungsvermögen
-
Wasser- und Luftdurchlässigkeit
-
Kompressibilität
-
Fließverhalten
-
Erodierbarkeit
-
Temperaturleitvermögen
[W. DURNER & R. NIEDER, 2005]
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Um die Verteilung zu erhalten, trennt man den Boden in seine unterschiedlichen Kornfraktionen auf und bestimmt deren Massenanteile. Direkte Messungen der Größen und
Massen, z.B. mit einem Licht- oder Elektronenmikroskop, sind jedoch meist sehr aufwendig und aufgrund des breiten Korngrößenspektrums, welches vom 10 m Durchmesser
bis hin zum 5 nm Durchmesser reichen kann, auch sehr impraktikabel. Deshalb bedient
man sich in solchen Fällen an den indirekten Messmethoden und kombiniert diese je
nach benötigter Größenordnung miteinander. Das kombinierte Sieb- und Sedimentationsverfahren trennt das Gefüge in zwei Teile auf. Steine, Kies und Sand werden mithilfe
des Siebverfahrens analysiert und von der Schluff- und Tonfraktion getrennt. Bei der
Siebung trennt man das Gut mit zwei unterschiedlichen Siebmethoden weiterhin auf.
Man verwendet die Trockensiebung für die Fraktionen über 2 mm Siebdurchmesser und
die Nasssiebmethode für die Sande von 2 mm bis 63 µm. Die kleineren Korngrößen unter 63 µm werden in Suspension gebracht und durch das Sedimentationsverfahren, welches auf dem Sedimentationsgesetz von Stokes beruht, analysiert. Das Stokes'sche Gesetz beschreibt die Sedimentationsgeschwindigkeit v von kugelförmigen Teilchen des
Durchmessers dp in Abhängigkeit vom Dichteunterschied zum Fluid [W. DURNER & R.
NIEDER, 2005].
17
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Aufgrund der unregelmäßigen Formen der Körner, werden die Korngrößen als Äquivalentgrößen gesehen und es wird angenommen, dass die Teilchen mit derselben Geschwindigkeit sedimentieren, wie glatte, starre Kugel mit dem entsprechenden Äquivalentgrößendurchmesser und der gleichen Dichte. Zusätzlich wird als Dichte des Partikels
𝑘𝑔
eine mittlere Dichte angenommen, die der von Quarz (2650 𝑚3 ) entspricht. Bei der Sedimentation ist zudem auf einen ausreichend großen Sedimentationszylinder und genügend Suspensionsflüssigkeit zu achten, um eine ungehinderte und laminare Umströmung der Teilchen zu ermöglichen [DIN 11277, 2009] Als Untergrenze dieser Analysemethode nimmt man aufgrund der Brown´schen Molekularbewegung 1 µm an, da kleinere Teilchen in der Suspension schweben.
Anhand dieser Formel lassen sich nun die Absetzgeschwindigkeiten, bedingt durch die
unterschiedlichen, vom Durchmesser abhängigen Widerstandskräfte, die auf die Partikel
wirken, bestimmen. Für die folgende Anwendung der Pipettmethode nach Köhn 1928
lässt sich die Formel zur Berechnung der Sinkzeiten vereinfacht umstellen.
In Abhängigkeit von der Temperatur und somit der Viskosität des Wassers lassen sich
nun die entsprechenden Zeitpunkte der Teilprobenentnahme mit der Pipette berechnen.
Zum Vereinfachten Arbeiten im Labor existieren dazu bereits Tabellen (siehe Abb. 7), in
denen sich die Pipettierzeiten ablesen lassen.
18
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Abbildung 7: Fallzeiten für die vier Fraktionen in Abhängigkeit von der Temperatur
Jeder vorbereiteten Feinerdenprobe werden drei Teilproben mit jeweils ca. 20 g für drei
Durchläufe in der Probenvorbehandlung und der anschließenden Sieb- und Sedimentationsanalyse entnommen. Aus den drei Versuchswerten wird das arithmetische Mittel
gebildet, um gegebenenfalls auftretende Verfahrensfehler auszugleichen.
4.1 Vorbereitungen und Probenvorbehandlung
Nach der Probenvorbereitung folgt vor dem Sieb- und Sedimentationsverfahren die Probenvorbehandlung. Dabei sollen die Primärpartikel, die in Aggregaten zusammenhaften
nicht nur weiter aufgeteilt werden, sondern auch die sogenannten „Kittsubstanzen“, die
die Körner aneinander haften lassen, zerstört bzw. aufgelöst werden. Folgende Kittsubstanzen können sich in den Proben befinden:
-
Salze
-
Organische Rückstände
-
Eisen- und Aluminiumverbindungen
-
Carbonate
19
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Desweiteren müssen aufgrund ihrer Ladung aneinanderhaftende Tonpartikel mit einem
Dispergiermittel voneinander getrennt werden. Diese Koagulation (Flockenbildung) verhindert man durch Kationen-bindende Mittel wie Natriumpyrophosphat Decahydrat
(Na4P2O7 • 10H20) oder Natriumhexametaphosphat ((NaPO3)6). Die Probenvorbehandlung erfolgt nach DIN ISO 11464 und DIN ISO 11277.
Bei bekannten Parametern, wie dem OBS-Gehalt, Carbonatgehalt, pH-Wert und der
elektrischen Leitfähigkeit, können einzelne Vorbehandlungsverfahren ausgelassen werden und sollten deshalb im Voraus bestimmt werden. In dieser Arbeit wird aufgrund der
vorhandenen Kenndaten und des hohen Arbeitsaufwandes auf das Entfernen der Carbonate und Eisenoxide verzichtet.
Die einzelnen Verfahren können auch in Reihe geschaltet werden, dabei muss allerdings
auf das gründliche Auswaschen der Probe zwischen den Schritten geachtet werden, um
Zwischenreaktionen mit den Chemikalien zu vermeiden. Generell muss vor der Vorbehandlung die Bodenart grob abgeschätzt werden, denn diese ist bei der Einwaage der
Probe wichtig. Die Einwaage kann von 10 g bei eher tonigeren Proben bis hin zu 40 g
bei sandigen Proben variieren. In dieser Versuchsreihe wird die Einwaage auf ein Gewicht von 20 g festgelegt. Sollte zwischen den Vorbehandlungsschritten eine Trocknung
der Probe notwendig sein und ist im Anschluss an die Vorbehandlung noch eine Sedimentation geplant, muss die Trocknung bei maximal 60 °C erfolgen, um ein „Verbacken“
der Tonminerale zu vermeiden.
4.1.1 Entfernung von wasserlöslichen Salzen und Waschen der
Proben
Die Probe wird mit deionisiertem Wasser von wasserlöslichen Salzen befreit und anhand
ihrer elektrischen Leitfähigkeit auf ihre Reinheit überprüft.
Verwendete Geräte / Chemikalien:
20
-
Deionisiertes Wasser
-
Becherglas
-
Messgerät zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit
-
Becherglaszentrifuge
-
Geräte zum Absaugen der überstehenden Flüssigkeit
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Das Becherglas wird mit 20,00 g lufttrockener Feinerde und mit 400 ml deionisiertem
Wasser (Proben / H2O-Verhältnis 1:20) befüllt. Nach anschließendem Schütteln oder
Umrühren des Glases, kann hier bereits eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit einen Hinweis auf vorhandene Salze geben. Diese können bei einer Überschreitung von
40
µ𝑠
𝑐𝑚
zu einer Flockung der Tonminerale führen. Die Probe wird nun über Nacht stehen-
gelassen, sodass am nächsten Tag der klare Überstand abgesaugt werden kann. Die
Probe wird erneut mit deionisiertem Wasser aufgefüllt und die elektrische Leitfähigkeit
überprüft. Der Vorgang wird solange wiederholt bis der Leitfähigkeitsgrenzwert unter𝑈
schritten ist, dabei kann die Wartezeit durch eine Zentrifuge (2000 𝑚𝑖𝑛 für 15 min) erheblich verkürzt werden.
4.1.2 Zerstörung der organischen Bestandteile
Ist der Anteil an organischer Substanz größer als 2 %, so muss diese mit Wasserstoffperoxid aufgelöst werden [W. DURNER & R. NIEDER, 2005]
Verwendete Geräte / Chemikalien:
-
Präzisionswaage
-
Becherglas
-
Glasstab zum Umrühren
-
10 %ige H2O2-Lösung
-
Gegebenenfalls Octan-2-ol
-
Geräte für ein Wasserbad oder zum Aufkochen der Lösung im Becherglas
-
Becherglas-Zentrifuge
21
Sieb- und Sedimentationsanalyse
20,00 g der lufttrockenen Feinerde werden in ein Becherglas gegeben. Anschließend
werden 100 ml der Wasserstoffperoxid-Lösung vorsichtig, um ein starkes Aufschäumen
der Probe zu vermeiden in 10 ml Portionen, hinzugegeben. Ist die Reaktion dennoch zu
stark, werden einige Tropfen Octan-2-ol zur Unterbindung der Schaumentwicklung, hineingetropft. Sind bei Raumtemperatur keine Bläschen mehr sichtbar, wird die Probe umgerührt und das Becherglas in einem 40 °C warmen Wasserbad oder vorsichtig über
einem Bunsenbrenner erwärmt, bis anschließend keine Reaktionen mehr stattfinden.
Falls weiterhin eine Blasenbildung stattfindet, wird der Vorgang nach dem Waschen der
Probe wiederholt.
4.1.3 Zerstörung der Eisenoxide
Eisen-Konkretionen werden anhand ihrer rötlich-kupfernen Färbung morphologisch
nachgewiesen und mit 40
𝑔
𝑙
Natriumdithionit in etwa 0,3 M, mit Essigsäure auf pH 3,8
gepufferter Natriumacetatlösung (Boden / Lösung-Verhältnis 1:40) über Nacht geschüttelt und so entfernt. Bis quantitativ eine graue Färbung der Probe erreicht und das Verfahren somit beendet ist, können mehrere Behandlungen bei sehr eisenreichen Böden
erforderlich sein
Verwendete Geräte / Chemikalien:
22
-
Präzisionswaage
-
Flasche zum Schütteln
-
Schüttelmaschine
-
Natriumdithionit
-
Essigsäure
-
0,3 M Natriumacetatlösung
-
pH-Messgerät
Sieb- und Sedimentationsanalyse
4.1.4 Entfernen der Carbonate
Bei einem pH-Wert über 6,5 ist die Anwesenheit von Carbonaten anzunehmen und eine
Messung des Gehalts an Kalkgestein notwendig. Liegt der Carbonat-Massenanteil über
2 %, werden die Carbonatverbindungen unter stetiger Kontrolle des pH-Wertes mit Salzsäure aufgelöst [W. DURNER & R. NIEDER, 2005]
Verwendete Geräte / Chemikalien:
-
Becherglas
-
Präzisionswaage und Messzylinder
-
10 %ige HCl-Lösung
-
pH-Messgerät
Die Probe wird in ein Becherglas gegeben und mit der 10 %igen HCl-Lösung versetzt.
Dabei verwendet man pro Gramm Carbonat in der eingewogenen Probe 6,1 ml der Salzsäure. Nachdem keine Gase mehr aus der Suspension entweichen, wird unter stetiger
Kontrolle des pH-Wertes weiter HCl-Lösung hinzugegeben, bis der pH-Wert unter 6,5
liegt. Um die silikatischen Minerale zu erhalten, sollte die Acidität nicht unter einen Wert
von 4,5 fallen und ist gegebenenfalls mit Laugen zu korrigieren. Anschließend wird die
Probe gewaschen.
4.1.5 Dispergierung
In Anlehnung an die DIN 11277 wird, um die Flockungskräfte zwischen den Tonteilchen
zu unterbinden, die Dispergierung mit Natriumpyrophosphat Decahydrat durchgeführt.
Verwendete Geräte / Chemikalien:
-
Becherglas
-
Deionisiertes Wasser
-
Natriumpyrophosphat Decahydrat zu einer 0,4 M Natriumpyrophosphat-Lösung
mit deionisiertem Wasser mischen
-
Schüttelmaschine
23
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Zur Dispergierung der Probe, wird eine Suspension aus dem vorbehandelten Boden,
25 ml 0,4 M Natriumpyrophosphat und 200 ml deionisiertem Wasser angesetzt. Diese
wird anschließend für 18 Stunden in der Schüttelmaschine oder für 24 Stunden unter
regelmäßigem manuellem Aufschütteln geschüttelt. Bei den Versuchen in dieser Arbeit
wurden die Proben mit einer Natriumhexametaphosphat-Lösung nach ähnlichem Prinzip
dispergiert. Dazu werden in einem Liter deionisiertem Wasser 50 g Natriumhexametaphosphat und 7 g Natriumcarbonat gelöst und nach einer Einwirkzeit von 24 Stunden,
25 ml dieser Lösung den Proben hinzugegeben [D. L. ROWELL, 1997]. Bei der Pipettmethode muss der Rückstand des Dispergiermittels in der Probe berücksichtigt und von
der eigentlichen Bodenmasse subtrahiert werden. Dazu bestimmt man die Rückstandsmasse rechnerisch oder mithilfe von Trocknung von 10 ml der Dispergierlösung bei
105 °C über Nacht.
4.2 Versuchsdurchführung
4.2.1 Trockensiebung
Für die Bestimmung der Massenanteile der Stein- und Kiesfraktion verwendet man die
reine Trockensiebung der Probe. Dabei ist auf ausreichendes Aufgabegut zu achten,
welches von der Größe des vorher geschätzten Größtkorns, mit einem Massenanteil von
mindestens 10 %, abhängt. Nach DIN 11277 ist folgende Tabelle zu beachten.
24
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Abbildung 8: Mindestmasse der Bodenproben für das Sieben
Generell kann auf die Probenvorbehandlung vor der reinen Trockensiebung verzichtet
werden, da Kittsubstanzen vorwiegend nur bei feineren Körnern Einfluss nehmen. Jedoch sollte die Probe vor der Siebung gewaschen werden, um Anhaftungen der kleineren
Fraktionen an den groben Körnern zu vermeiden.
Verwendete Geräte:
-
Präzisionswaage
-
Rüttelmaschine „Retsch AS 200 Control“
-
Vorhandene Siebe im Labor mit folgenden Siebweiten

32 mm, 16 mm, 8 mm, 4 mm, 2 mm, Auffangbehälter
Zur vereinfachten Klassifizierung nach DIN sollte noch ein Sieb mit einer Weite
von 6,3 mm hinzugefügt werden.
-
Pinsel
25
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Das lufttrockene und eingewogene Aufgabegut wird über den Siebturm gegeben. Dieser
besteht aus den vorher gewogenen Sieben, mit von oben nach unten abnehmenden
Öffnungsweiten und der abschließenden Auffangschale. Der Siebturm wird mithilfe des
Glasdeckels und der Schnellspannklammern in der Rüttelmaschine befestigt und für 10
Minuten bei einer Amplitude von 1
𝑚𝑚
𝑔
gerüttelt (DIN 66165.1987). Die Siebe können
anschließend aus der Maschine ausgebaut und einzeln gewogen werden, sodass die
Teilmassen aus der Differenz zu den Leergewichten bestimmt werden können. Im Verhältnis zur Einwaage ergeben sich so die Massenanteile der einzelnen Fraktionen. In der
Auffangschale befinden sich nun die Fraktionen < 2 mm und können nun zur weiteren
Klassifizierung vorbehandelt, nassgesiebt und sedimentiert werden.
Bereits die Probenvorbereitung (Kapitel 3.2) zeigte, dass die Proben nur aus Feinbodenfraktionen, also Sande, Schluffe und Tone bestehen. Deshalb wurde auf eine Trockensiebung zur Bestimmung der Massenanteile der Grobbodenfraktionen verzichtet.
4.2.2 Nassiebung
Die Nasssiebung kann direkt im Anschluss an die Trockensiebung und die vollständige
Probenvorbehandlung erfolgen. Der trockene Teil des Aufgabeguts, der das 2 mm Sieb
zuvor passiert hat, wird nun im selben Prinzip über einen Siebturm mit feineren Maschenweiten gegeben. Der Unterschied ist, dass die Siebe dabei mit deionisiertem Wasser
durchgehend gespült werden, um ein Verstopfen der Maschenöffnungen zu verhindern
und die Fraktionen < 63 µm durch die Siebe zu schwemmen. Dies erfolgt durch den
Einsatz eines speziellen Deckelaufsatzes mit Einspritzdüse und einer Auffangschale mit
Ausflussöffnung. Bei dieser Methode werden nur die Sandanteile ermittelt.
26
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Verwendete Geräte:
-
Präzisionswaage
-
Rüttelmaschine „Retsch AS 200 Control“ mit Nasssiebungszubehör
-
Vorhandene Feinsiebe im Labor mit folgenden Siebweiten:

1 mm, 500 µm, 250 µm, 125 µm, 63 µm
Zur vereinfachten Klassifizierung nach DIN sollten noch Siebe mit Weiten von
630 µm und 200 µm hinzugefügt werden
-
Deionisiertes Wasser
-
Aluminiumschalen zum Auffangen, Trocknen und Wiegen der nassen Teilmassen
(Optimal: Schalendurchmesser = Siebdurchmesser)
-
Stehzylinder, zum Auffangen der durchgespülten Schluffe und Tone und zur
anschließenden Verwendung bei der Sedimentationsanalyse
-
Spritzflasche
-
Trockenschrank und Exsikkator
Nach dem Befüllen des Siebturmes mit dem Feinboden, wird dieser nun mit dem Deckel
verschlossen und die Wasserzufuhr mit dem Deckelaufsatz verbunden. An den Auslass
der Schale wird vor dem Start der Rüttelmaschine ein Stehzylinder aufgestellt. Die Probe
wird nun mit der Rüttelmaschine solange gerüttelt und gespült bis keine Schluff- und
Tonteilchen mehr im Spülwasser zu finden sind und das Wasser klar aus der Auslassöffnung in den Stehzylinder läuft. Dabei muss auf die maximale Füllhöhe des Zylinders,
in diesem Fall 1 Liter, geachtet werden. Sollte es dennoch zu einer abweichenden Füllhöhe kommen, muss diese bei den Entnahmezeiten berücksichtigt werden. In den Sieben bleiben die Teilmengen der Sandfraktion zurück, welche nun zum Trocknen vorsichtig mit der Spritzflasche in Aluminiumschalen überführt werden. Anschließend werden
die Sand-Teilmengen gewogen und das Verhältnis zur Gesamteinwaage berechnet.
Bei sehr viel und sehr tonigem Feinboden, kann es bei der Nasssiebung passieren, dass
die begrenzte zugeführte Spülwassermenge nicht annähernd zum Ausspülen der Probe
ausreicht. Aufgrund des Verdachtes auf sehr tonigen Boden, der geringen Raum- und
Materialkapazitäten und des nicht vorhandenen Skelettanteils, wird das Verfahren der
Nasssiebung in dieser Arbeit abgewandelt und abgekürzt. Die Feinboden-Suspension
aus der Probenvorbehandlung wird im Voraus zu einer Fein-Trockensiebung direkt durch
27
Sieb- und Sedimentationsanalyse
ein 63 µm Sieb gespült und das Spülwasser mit den Fraktionen < 63 µm in einen Stehzylinder gegeben. Dadurch kann die Menge des eingegebenen Feinbodens besser kontrolliert und das Spülergebnis aufgrund der besseren Zugänglichkeit und des besseren
Überblicks optimiert werden. Zusätzlich kann die Spülwassermenge durch die Zugabe
mit der Spritzflasche besser reguliert und die Probe vorsichtig mit einem Löffel bzw. einem Pinsel im Sieb verschoben und verteilt werden. Die im Sieb verbliebene Sandfraktion wird in eine Schale gespült, getrocknet und anschließend trocken durch die zuvor
gewogenen aufgetürmten Feinsiebe gegeben. Der Turm wird nun für jeweils 3 Minuten
einfach und im Intervallbetrieb (Intervalllänge: 10 s) gerüttelt [H.-P. BLUME et al., 2012].
Beim anschließenden Wiegen, lassen sich so direkt die Teilmengen aus der Differenz
zum Sieb-Leergewicht bestimmen.
Sowohl nach dem Nasssieb-Verfahren, als auch nach dem abgekürztem Verfahren, werden die befüllten Stehzylinder zur anschließenden Sedimentationsanalyse verwendet.
4.2.3 Pipettanalyse
Die Pipettmethode nach Köhn 1928, nutzt die zuvor beschriebenen unterschiedlichen
Fallzeiten der einzelnen Fraktion in einer Suspension nach dem Gesetz von Stokes. Dabei zieht man mithilfe einer Pipette bei einer spezifischen Sedimentationszeit und -tiefe
eine Teilprobe aus der Suspension und bestimmt deren Konzentration anhand des
Trocknungsrückstands [H.-P. BLUME et al., 2012]. Aufgrund der langen Wartezeiten zwischen den Probenentnahmen, ist es sinnvoll sich einen Zeitplan zurechtzulegen, um die
Entnahmezeiten aus den Tabellen (siehe Abb. 7) in Abhängigkeit von der Suspensionstemperatur (frei wählbar) und der verfügbaren Raum- und Zeitkapazitäten so zu wählen,
dass möglichst viele Zylinder in Reihe geschaltet werden können. Aus einem Zylinder
werden 4 Teilproben entnommen, wofür jeweils eine Eindampfschale verwendet wird.
Zur Vereinfachung, wird das Verfahren nur für einen Zylinder mit einer Suspensionstemperatur von 20 °C beschrieben.
28
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Verwendete Geräte:
-
Präzisionswaage
-
Stehzylinder und Verschlussstopfen
-
Deionisiertes Wasser
-
Eijkelkamp Pipettiergerät „08.16.SA“ (Probenvolumen = 20 ml) mit Peleusball
-
Stoppuhren
-
Eindampfschalen
-
Trockenschrank und Exsikkator
-
Gegebenenfalls eine Wasserwanne mit Temperaturregler und Heizspirale für eine
garantiert gleichmäßige Temperatur der Suspension über die Sedimentationszeit
(aufgrund der thermokonstanten Laborbedingungen, wurde in dieser Arbeit darauf
verzichtet. Die Zylinder wurden über Nacht an die Raumtemperatur akklimatisiert)
-
Thermometer
Vor der eigentlichen Sedimentation, wird der Zylinder so vorbereitet und aufgestellt, sodass er mit dem Pipettiergerät gut erreichbar ist. Die Stoppuhr wird für den Start überprüft
und das Leergewicht der Eindampfschalen ermittelt. Für einen reibungslosen Ablauf
beim Pipettieren, sollte das Prozedere mit dem Pipettiergerät (siehe Abb. 9) vorher geübt
werden.
29
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Das Funktionsprinzip des Pipettiergeräts:
Abbildung 9: Pipettiergerät von Eijkelkamp
Zu Beginn ist der Hebel K3 geschlossen und das Spülwasserbehältnis W mit deionisiertem Wasser gefüllt. Zur Probenentnahme werden die Hebel K1 und K2 so gestellt, dass
über die Pipette S, das Probenvolumen P und das Vorratsbehältnis F ein Aliquot der
Suspension mithilfe des Peleusballs A angesaugt werden kann. Die Pipette wird anhand
der Verschiebevorrichtung in die entsprechende Tiefe bewegt (mindestens 10 Sekunden
vor Entnahmezeitpunkt und ohne Aufwirbeln der Feinteilchen) und der Peleusball unter
Druck gesetzt. Das Aliquot wird nach Ablauf der fraktionsspezifischen Fallzeit möglichst
schnell (3 – 5 Sekunden) über das komplett zu füllende Probenvolumen bis zu einem
geringen Teil in das Vorratsbehältnis gezogen. Letzteres wird nun durch das Drehen des
Hebels K2 zum Auslass D und durch das Öffnen des Spülwasserbehältnisses mit Hebel
K3 kurz gespült. Durch das Schließen von K3 wird das Spülen unterbrochen, die restliche
Menge an Spülwasser im Vorratsbehältnis wird mithilfe der Durchzugsfunktion des
30
Sieb- und Sedimentationsanalyse
Peleusballs ausgelassen bis F leer ist. Die Hebel K2 und K1 werden nun so gestellt, dass
das Aliquot mithilfe der Durchzugsfunktion aus dem Auslass E in eine Eindampfschale
gelassen werden kann. Das Probenvolumen wird ebenfalls durch das Öffnen von K3
gespült und das Spülwasser wird mit der Schale aufgefangen. Abschließend wird die
Pipette aus dem Zylinder gehoben und mit der entsprechenden Hebelstellung gespült.
Für weitere Entnahmen ist dieser Vorgang zu wiederholen [EIJKELKAMP, 2009].
Zum Start der Sedimentation wird der Zylinder mit einem Stopfen verschlossen und erst
kräftig, dann ruhiger geschüttelt, sodass sich die Teilchen gleichmäßig verteilen. Sobald
man die Suspension abstellt, startet die Stoppuhr und die erste Teilprobe zur Bestimmung der Fraktion < 63 µm wird bereits nach 28 Sekunden aus 10 cm Tiefe aus dem
Zylinder gezogen. Weitere Entnahmen aus 10 cm Tiefe erfolgen nach 4 min 39 s für Teilchen < 20 µm und nach 46 min 53 s für Teilchen < 6,3 µm. Zuletzt wird nach 3 h 6 min
aus 4 cm Tiefe die Tonfraktion < 2 µm gezogen. Die Schalen werden getrocknet und der
Trockenrückstand gewogen. Nach Abzug des Dispergiermittels in der Schale, wird die
Probenmasse entsprechend der entnommenen Menge auf den Liter hochgerechnet und
das Verhältnis zur Gesamtprobe ermittelt. Die Berechnungsformel nach DIN 11277 lautet:
Aus den Differenzen der einzelnen Teilprobenmengen lässt sich auch die Schlufffraktion
in Grob-, Mittel- und Feinschluff unterteilen.
31
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Eine Parallelschaltung von 6 Zylindern ist im Labor möglich. Dazu wird nach den ersten
beiden Entnahmezeitpunkten eines Zylinders der nächste aufgeschüttelt und die Sedimentation gestartet. Solang man bei 20 °C für einen Zylinder nach der zweiten Entnahme
bis zum Aufstellen des neuen Zylinders maximal 8,5 Minuten benötigt, ist, aus eigener
Erfahrung gesprochen, diese Parallelschaltung alleine zu bewältigen. Grundsätzlich
muss man hierbei mit einer insgesamten Arbeitszeit (Eindampfschalen vorbereiten, sedimentieren und Zylinder auswaschen) von 4 Stunden rechnen.
Nach den angewendeten Analyseverfahren und der Auswertung der Ergebnisse, lassen
sich die Bodenproben überwiegend den Reinsanden, tonigen Sanden und lehmigen
Sanden zuordnen.
5 Auswertung und Ergebnisdiskussion
5.1 Darstellung der Ergebnisse
Die Daten aus der Sieb- und Sedimentationsanalyse werden in einem Tabellenprogramm (Microsoft Excel 2013, siehe Anhang A) zusammengetragen, sodass eine Abbildung auf einem semilogarithmischen Kurvendiagramm erzeugt werden kann. Dabei werden die Datenpunkte miteinander verbunden und erzeugen so eine Kornverteilungssummenkurve (KSK), bei der die Diagrammordinate numerisch den Prozentanteil der Teilchen wiedergibt, die kleiner sind, als die auf der Diagrammabszisse logarithmisch abgebildeten Korngrößen (siehe Abb. 10). Aufgrund der Korngrößenintervalle von einer halben Zehnerpotenz, dient die semilogarithmische KSK zur besseren Vorstellung der Verteilung und lässt so eine einfache Bestimmung der Anteile der Kornfraktionen zu. Zerlegt
man die KSK in viele Blöcke aus den einzelnen Fraktionen (Korngrößen-Block-Diagramm) und verbindet diese miteinander erhält man eine Kornverteilungskurve (siehe
Abb. 11) [H.-P. BLUME et al., 2012].
32
Auswertung und Ergebnisdiskussion
In dieser Arbeit werden mit der Demoversion des Siebprogramms „EasySieve“ von
Retsch die Kornverteilungssummenkurven in Kombination mit einem Korngrößen-Blockdiagram erzeugt (siehe Abb.12). Die auf der Abszisse abgebildeten Korngrößen orientieren sich dabei an den im Labor vorhandenen Sieböffnungsweiten.
Das Programm liefert zusätzlich die aus der Kurve ermittelten Anteile der Kornfraktionen,
deren Kenngrößen bzw. Größengrenzen frei wählbar sind. Somit ist, nach der Bildung
des arithmetischen Mittels aus den jeweils drei Versuchswerten einer Bodenprobe, eine
Benennung und Bestimmung der Bodenart nach den 3 häufigsten Klassifizierungssystemen, mit ihren unterschiedlichen Kornfraktionsgrenzen möglich. (Siehe Anhang B).
Die Ergebnisse der Analyse der chemischen Parameter werden ebenfalls im Tabellenprogramm zusammengetragen (siehe Anhang C und E).
Abbildung 10: Kornverteilungssummenkurve am Beispiel einer Parabraunerde
33
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Abbildung 11: Kornverteilungskurve am Beispiel einer Parabraunerde
Abbildung 12: Mit dem Programm "EasySieve" erzeugtes Diagramm und Kenngrößen der Bodenprobe 403 0 - 10
aus der 1. Charge
34
Auswertung und Ergebnisdiskussion
5.2 Beispiele und Auswertung der Ergebnisse
Beispiel A, Probe 403 0 – 10:
Betrachtet man die in Abbildung 12 dargestellte Kurve, die weiteren 2 Kurven der übrigen
Chargen (Anhang C) und die Kenngrößen zur Probe 403 0 – 10, so lässt sich mit dem
arithmetischen Mittel aus den Kornfraktionsanteilen folgende Verteilung nach der Klassifizierung des BGR bilden:
Abbildung 13: Auszug aus der Tabelle "Anhang B_Bodenart nach BGR und FAO“ zur Probe 403 0 - 10
Der Sandanteil (2000 – 63 µm) der Probe beträgt in Summe 93,9 %, der Schluffanteil
(63 – 2 µm) 2,76 % und der Tonanteil (< 2 µm) 3,34 %. Diese Werte werden auf das
Dreiecksdiagramm zur Bestimmung der Bodenart der Feinerde übertragen (Abb. 14).
Abbildung 14: Dreiecksdiagramm (Feinerde) nach BGR für 403 0 – 10
35
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Aus dem Diagramm geht hervor, das die Probe der Bodenart den Reinsanden (S) zuzuordnen ist.
Beispiel B, Probe 428 10 – 20:
Die Bestimmung der Bodenart dieser Probe erfolgt analog zum Beispiel A, jedoch nach
dem Klassifizierungssystem der FAO. Aus den KSKs und Kenngrößen (Abb. 15,
1.Charge) wird die gemittelte Kornverteilung ermittelt (Abb. 16).
Abbildung 15: KSK-Diagramm und Kenngrößen zur Probe 428 10 - 20 aus der 1. Charge
Abbildung 16: Auszug aus der Tabelle "Anhang B_Bodenart nach BGR und FAO“ zur Probe 428 10 – 20
Der Sandanteil der Probe beträgt hier in Summe 74,11 %, der Schluffanteil 2,64 % und
der Tonanteil 23,25 %. Im Dreiecksdiagramm zur Bestimmung der Bodenart der Feinerde nach FAO legen diese Werte die Probe als „sandy clay loam“ fest (Abb. 17).
36
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Abbildung 17: Dreiecksdiagramm (Feinerde) nach FAO für 428 10 – 20
Beispiel C, Probe 443 20 – 40:
Analog zu den vorherigen Beispielen wird die Bodenart der Probe in Beispiel C nach der
Klassifizierung des USDA bestimmt. Hierbei muss im Vergleich zu Beispiel A und B auf
die abweichenden Kornfraktionsgrenzen und somit auch auf veränderte Kenngrößen geachtet werden. Eine KSK mit Kenngrößen der Probe (Abb. 18) und das arithmetische
Mittel (Abb. 19) der ausgewerteten Diagramme sehen wie folgt aus:
37
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Abbildung 18: KSK-Diagramm und Kenngrößen zur Probe 443 20 - 40 aus der 1. Charge
Abbildung 19: Auszug aus der Tabelle "Anhang B_Bodenart nach USDA“ zur Probe 443 20 - 40
Die Kornfraktionen dieser Probe teilen sich im Mittel zu 80,03 % Sand- (2000 – 50 µm),
12,47 % Schluff- (50 – 2 µm) und 7,50 % Tonpartikeln (< 2 µm) auf. Hieraus ergibt sich
aus dem Dreiecksdiagramm zur Bestimmung der Bodenart der Feinerde nach USDA
(Abb. 20) die Bezeichnung „loamy sand“ für das Korngemisch des Bodens.
38
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Abbildung 20: Dreiecksdiagramm (Feinerde) nach USDA für 443 20 - 40
Die Bodenarten der verbleibenden Proben wurden nach dem gleichen Prinzip bestimmt
und in Kombination mit den Ergebnissen aus den chemischen Analysen zusammengestellt (Abb. 21).
39
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Abbildung 21: Zusammenstellung der Ergebnisse
40
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Betrachtet man die Tabelle und bewertet die Ergebnisse im Zusammenhang, so ist die
Beziehung zwischen der Vegetation und der Bodenart auffällig. In der Versuchsreihe
haben Bodenproben aus den Cerrado-Regionen, also den brasilianischen Savannen,
reinsandige Korngemische und kultivierte Acker- und Weideflächen besitzen eine lehmig
sandige Kornverteilung.
Die agrarwirtschaftlich genutzten Flächen weisen einen hohen OBS-Gehalt für die Bewirtschaftung auf, wohingegen die Cerrado-Böden einen geringeren Gehalt an organischer Substanz besitzen, was dem Savannen-Charakter entspricht.
Allgemein korreliert der durchgehend hohe Sandanteil der Ergebnisse der Kornverteilungsanalyse mit den Eigenschaften der typisch brasilianischen Böden, wie Ferralsolen,
Acrisolen und Nitisolen (Bezeichnungen nach dem Klassifizierungssystem der FAO).
Diese Bodentypen sind sehr nährstoffarm und besitzen einen sauren Charakter (pHWerte um 5), was sich ebenfalls mit den Daten aus der Messung der elektrischen Leitfähigkeit und des pH-Wertes deckt.
Aufgrund des sauren Milieus im Boden, musste der pH-Wert für die in der Landwirtschaft
notwendige Nährstoffverfügbarkeit mit Kalk angehoben werden [G. INTERMALER-ERHARD et al, 2014]. Somit müssten Spuren von Carbonatverbindungen im Boden zu finden sein, dies widerspricht sich jedoch mit den Ergebnissen aus der Messung des Carbonatgehaltes. Die laut den Testergebnissen konsequente Absenz von Carbonaten lässt
somit entweder auf eine Auswaschung der Kalke an den Probeentnahmeorten oder auf
eine fehlerhafte Messung (siehe Kap. 5.3) schließen. Messfehler sollten aufgrund der
Kalibrierung und Überprüfung des Messgerätes mit reinem Kalk vor, während und nach
der Messung ausgeschlossen sein.
Die Ergebnisse passen demnach überwiegend zu den bekannten Bodentypen in Brasilien und sind nach eigener Einschätzung positiv zu bewerten. Die Repräsentativität der
Ergebnisse ist jedoch kritisch zu betrachten.
Der Zeit- und Arbeitsaufwand dieser Arbeit lässt sich in drei Teile einteilen. Der erste
Block ist die Literaturrecherche und das Einlesen in die Methodik. Hierzu lassen sich
sehr gute Bücher und DIN Normen mit detaillierten Beschreibung zu den Verfahren finden, welche mit ein wenig Vorwissen und Grundkenntnissen leicht zu verstehen und
umzusetzen sind. Die Arbeit im Labor bildet den zweiten und größten Block der Arbeit.
Vor allem die Sedimentation und die dazugehörigen Arbeiten sind sehr zeitintensiv und
41
Auswertung und Ergebnisdiskussion
bedürfen einer guten logistischen Planung. Die Überprüfung der vorhandenen und benötigten Labormaterialien vor der eigentlichen Laborarbeit, erspart Zeit und verhindert
unerwartete Engpässe oder Überraschungen. Mit den vorhandenen Geräten war das
Sieben und Sedimentieren ohne Komplikationen möglich. Gelegentlich verzögerten neu
zu beschaffende Geräte und benötigte Chemikalien aufgrund von Lieferschwierigkeiten
den reibungslosen Ablauf. Beim Sedimentieren und Auswaschen der Tonpartikel vor der
Siebung der Sandfraktion kommt es unweigerlich zu einem hohen Verbrauch an deionisiertem Wasser, dessen Qualität aufgrund der geringen Kapazität des Wasseraufbereiters stetig kontrolliert werden musste. Die Raumkapazitäten waren für diese Arbeit vollkommen ausreichend, könnten aber bei größeren Mengen und Korngrößen zu Problemen führen. Die Auswertung der Ergebnisse anhand der intuitiv zu bedienenden Demoversion der Siebsoftware „EasySieve“ von Retsch war sehr einfach, jedoch könnte die
Vollversion Arbeitsabläufe beschleunigen. Zusätzlich mit der Anfertigung der schriftlichen Arbeit bilden diese 2 Punkte den abschließenden Teil dieser Bachelor-Thesis.
5.3 Fehleranalyse der Verfahren
Die Sieb- und Sedimentationsanalyse ist ein zuverlässiges Verfahren zur Bestimmung
der Massenanteile der Kornfraktionen. Das Verfahren an sich ist simpel, jedoch machen
die Vorbereitungen, Vorbehandlungen, lange Wartezeiten und der dementsprechend logistische Aufwand, zusätzlich mit der Präzisionswägung zu einem komplexen Vorgehen,
bei dem es zu Fehlern kommen kann.
Bei der Vorbereitung kann es vor allem bei der Auftrennung der Aggregate mit Mörser
und Pistill zur Zerstörung von Primärpartikeln in kleinere Bruchstücke zu einer verfälschten Kornverteilung kommen.
Bei der Vorbehandlung können Fehler, wie das Verändern und Zerstören von Primärpartikeln, bei unsachgemäßer Ausführung der Verfahren auftreten. Zur Vermeidung sollte
auf regelmäßiges Waschen der Proben und sorgsames Absaugen des klaren Überstands geachtet werden. Denn hierbei lässt sich ohne eine Zentrifuge die versehentliche
Entfernung von Feinstpartikeln kaum vermeiden.
42
Auswertung und Ergebnisdiskussion
Bei der Siebung kann es zu Siebverlusten durch anhaftende oder im Sieb verklemmte
Teilchen kommen. Diese Verluste sollten weniger als 3 % im Verhältnis zur Probeneinwaage betragen und können mithilfe des negativen Wertes der Überprüfung des Gesamtfehlers kontrolliert werden.
In dieser Arbeit waren die Werte im Rahmen, ist jedoch der Grenzwert überschritten,
sollte die Auftrennung der Fraktionen untersucht und gegebenenfalls die Analyse wiederholt werden [H.-P. BLUME et al., 2012].
Auch sind Veränderungen des Siebgutes aufgrund von Agglomeration und Abrieb während des Siebens nicht auszuschließen (DIN 66165, 1987).
Bei der Sedimentation sind Abweichungen zu den getroffenen Annahmen, wie die Einigung auf einen Äquivalenzdurchmesser und die gemittelte Dichte der Körner, die Hauptfehlerquelle. Auch der Einfluss von Temperaturschwankungen und die damit einhergehende Veränderung des Sedimentationsverhaltens der Suspension sind zu berücksichtigen und mit thermokonstanten Umgebungen zu vermeiden. Diese Fehler führen nach
der Hochrechnung auf die Gesamtprobe, im Anschluss an die Sedimentation, zu einer
Abweichung der Massenverteilung. Diese Abweichungen können auch auf eine fehlerhafte Durchmischung der Proben vor der Einwaage zurückgeführt werden, welche durch
einen Probenteiler nach DIN EN 932-1 unterbunden werden kann.
Auch bei der Bestimmung der chemischen Parameter sind Fehler nicht ausgeschlossen.
Sowohl der pH-Wert als auch die elektrische Leitfähigkeit werden durch die verdünnende
Wirkung des zugeführten Wassers beeinflusst. Elektrolyte werden dadurch ausgewaschen und die Acidität der Bodensuspension wird durch die Eigendissoziation von H2O
verändert. Das Anfertigen von Bodenlösungen kann hierbei zu eindeutigeren Ergebnissen führen, jedoch wurde aufgrund des sehr hohen Aufwandes der Produktion dieser
Lösungen darauf verzichtet. Lediglich der Vergleich mit der CaCl2-Suspension kann beim
pH-Wert eine bessere Vorstellung über die Bodenreaktionen liefern.
Zu einer fehlerhaften Bestimmung des OBS-Gehalts durch das Glühverlustverfahren
kann die Tatsache führen, dass Gips, Ton und Sesquioxide im Temperaturbereich um
43
Fazit und Ausblick
550°C Kristallwasser abgeben und es somit nicht zu einem kontrollierten Masseverlust
durch das reine Oxidieren von organischer Substanz kommt [H.-P. BLUME et al., 2012]
6 Fazit und Ausblick
In dieser Arbeit sollten zur Überprüfung der Feldversuche in Brasilien und zur weiteren
Verwendung bei der Berechnung des Bodenmodells und der Simulation des Wasserflusses des Rio das Mortes Einzugsgebietes, die Korngrößenverteilung und weitere notwendige chemische Parameter der brasilianischen Bodenproben bestimmt werden. Anschließend sollten daraus die Leitbodentypen des Gebietes erfasst werden.
Nach einer Einführung in das ökologische, ökonomische und soziale Vorhaben der CARBIOCIAL-Forschung, wurden die Grundlagen der Bodenklassifizierung anhand der drei
häufigsten Klassifizierungssystem vorgestellt. Ein morphologisches Klassifikationskriterium bilden die Bodenarten, welche mit dem beschriebenen und ausgeführten kombinierten Sieb- und Sedimentationsverfahren bestimmt werden konnten. Zusätzlich wurden der Gehalt an OBS, der pH-Wert, die elektrische Leitfähigkeit und der Carbonatgehalt der Bodenproben als wichtige Parameter zur Berechnung des hydrologischen Modells bestimmt. Die Ergebnisse wurden in Tabellen zusammengetragen und in Diagrammen modelliert. Eine eindeutige Bestimmung der Leitbodentypen des brasilianischen Bodens nach dem internationalen Klassifizierungssystem der FAO war anhand dieser Daten leider nicht möglich.
Dennoch können die Resultate zur Modellberechnung beitragen, als Referenzwerte zu
den Feldversuchen dienen und für einen groben Überblick über die vorhandenen Bodenarten im Gebiet sorgen.
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Literaturverzeichnis
Literaturverzeichnis
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45
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Beuth Verlag.
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N. VOGT. (2014). Grundbau und Bodenmechanik. Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau, TU München
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Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Karte des Rio das Mortes Einzugsgebietes
2
Abbildung 2: Einteilung der Korngrößenfraktionen. Einteilung nach RGB,
FAO (links) und USDA (rechts)
6
Abbildung 3: Benennung der Bodenkörper nach ihrer Größe
7
Abbildung 4: Feinbodenarten nach der deutschen Bodensystematik
7
Abbildung 5: Feinbodenarten nach der FAO
8
Abbildung 6: Feinbodenarten nach dem USDA
8
Abbildung 7: Fallzeiten für die vier Fraktionen in Abhängigkeit von der
Temperatur
19
Abbildung 8: Mindestmasse der Bodenproben für das Sieben
25
Abbildung 9: Pipettiergerät von Eijkelkamp
30
Abbildung 10: Kornverteilungssummenkurve am Beispiel einer Parabraunerde
33
Abbildung 11: Kornverteilungskurve am Beispiel einer Parabraunerde
34
Abbildung 12: Mit dem Programm "EasySieve" erzeugtes Diagramm und
Kenngrößen der Bodenprobe 403 0 - 10 aus der 1. Charge
34
Abbildung 13: Auszug aus der Tabelle "Anhang B_Bodenart nach BGR und
FAO“ zur Probe 403 0 - 10
Abbildung 14: Dreiecksdiagramm (Feinerde) nach BGR für 403 0 – 10
35
35
Abbildung 15: KSK-Diagramm und Kenngrößen zur Probe 428 10 - 20 aus
der 1. Charge
36
Abbildung 16: Auszug aus der Tabelle "Anhang B_Bodenart nach BGR
und FAO“ zur Probe 428 10 – 20
Abbildung 17: Dreiecksdiagramm (Feinerde) nach FAO für 428 10 – 20
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Abbildung 18: KSK-Diagramm und Kenngrößen zur Probe 443 20 - 40 aus
der 1. Charge
38
Abbildung 19: Auszug aus der Tabelle "Anhang B_Bodenart nach USDA“ zur
Probe 443 20 - 40
38
Abbildung 20: Dreiecksdiagramm (Feinerde) nach USDA für 443 20 - 40
39
Abbildung 21: Zusammenstellung der Ergebnisse
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Anhang
Anhang
A
Auswertung der Siebung und Sedimentation
B
Auswertung der Bestimmung der Feinbodenart nach BGR, FAO und USDA
C
Kornverteilungssummenkurven
D
Ergebnisse der Analyse der chemischen Parameter
E
Zusammenstellung aller Ergebnisse
F
Fotosammlung der Laborausrüstung
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Eidesstattliche Erklärung
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich, die vorliegende Bachelorarbeit nach FPO 20081 selbstständig
verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen benutzt zu haben. Alle Ausführungen, die anderen Schriften wörtlich oder sinngemäß entnommen wurden und Abbildungen sind kenntlich gemacht und die Arbeit ist in gleicher oder ähnlicher Fassung
nicht Bestandteil einer anderen Studien- oder Prüfungsleistung gewesen.
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Ort, Datum
Wolfgang Schmidt
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